公开课“3D勋章”实现方案

------ opengl es 2.0中加载.obj 与 .mtl

先上一个效果图

在这里插入图片描述

看到这个需求，直接反应是用OpenGLES加载一个.obj(顶点数据)与.mtl(颜色材质信息)文件 就搞定了（ .obj与.mtl文件由设计师用3dmax、Maya等工具导出）。
本以为是一个简单需求，但做起来发现困难点并不少：

OpenGLES如何加载.obj与.mtl文件？
勋章的进入和退出动画效果？
勋章进入和退出过程中的实时光照效果该怎么做？

解决这三个问题，是需求实现的关键。
为此，我设计了以下架构实现方式，先看架构图：

架构实现：

在这里插入图片描述

我们从下向上说：

最下边运行在Android系统上，这个不用细说
.obj 3D文件解析引擎：
自己手动解析的，并不是网上开源框架(大都泛泛而谈，只能做demo) 。如果开源，那我的这个工程应该就是第一个开源的比较完善的.obj3D文件.mtl材质文件的Java解析库；
光照系统：
shader 主要用于模拟环境光、散射光、镜面光(高光)。上线产品，为了效果，必须有光照；
动画引擎：
虽然看起来简单，但设计确是按照一个动画引擎标准设计的；
整个动画引擎可以划分为：场景、层、动画精灵。引擎的架构借鉴了游戏引擎Cocos2d；
这样设计的优点是：
a、若底层不依赖Opengl ES 底层依赖的是View 或者SurfaceView 可直接移植为一个2D动画引擎；
b、继续扩展还可以发展做成骨骼动画；

下面我们对这个架构实现进行详细说明。

一、OpenGLES如何加载.obj与.mtl文件？

本来以为网上应该有兼容性较好的obj与mtl的java解析库，但在网上找了好多代码，发现其在加载obj与mtl中，基本都存在较大问题。

网上代码主要分为了以下几个部分：

mind3d 2011年就已停止维护(为opengl es1.0)，并且在加载多图形上存在很大的不兼容(主要解析了obj，mtl没有解析)。
其他一些obj解析代码，基本都是解析了obj，不管mtl文件；
或者简单解析了mtl，却没有把对应的材质信息应用到opengl 绘制的图形上。
《Android 3D游戏开发技术宝典——OpenGL ES 2.0》(2012年我和几个同学写的书) 第九章 3D模型加载。当时写这本书时，也只是简单解析了obj文件，而且对mtl文件并未做解析(网上很多的例子是把这一章的案例直接照搬了)

mind3d官方地址与源码：
https://code.google.com/archive/p/min3d/
https://github.com/deadmoose/min3d

1.1 Obj 与mtl文件简单举例

obj文件是3D模型文件格式。由Alias|Wavefront公司为3D建模和动画软件”Advanced Visualizer”开发的一种标准，适合用于3D软件模型之间的互导，也可以通过Maya读写。

只支持模型三角面数据和材质信息，无动画功能支持；
其中几何信息由.obj文件提供，材质信息由.mtl文件定义；
文件以行为单位表示一条数据，可以根据行开头的字符判断后续的内容；
其中 # 字符表示注释行

1.1.1 obj文件中主要存放的以下几何信息

三维空间中顶点坐标信息
顶点的纹理坐标(贴图坐标)信息
顶点的法向量信息(计算光照用)

这里我手写了一份triangle.obj文件：

triangle.obj

# mtl材质文件
# mtllib testvt.mtl

# o 对象名称(Object name)
o adfaf

# 组名称
g default

# 顶点
v 0 0.5 0
v -0.5 -0.5 0
v 0.5 -0.5 0

# 纹理坐标
vt 0.0 1.0
vt 0.0 0.0
vt 1.0 1.0

# 顶点法线
vn 0 0 1

# 当前图元所用材质
usemtl Default

# s Smooth shading across polygons is enabled by smoothing groups.
# Smooth shading can be disabled as well.
s off

# v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3(索引起始于1)
f 1/1/1 2/2/1 3/3/1

triangle.obj 增加了详细的注释；

triangle.obj 中规定了模型顶点、纹理、法向量等信息，确定了模型的顶点数据；

1.1.2 mtl文件

这里我手写了一份triangle.mtl文件：
mtl中主要规定了几何图形的贴图信息，对环境光、散射光、镜面光的反射情况、透明度等

triangle.mtl

# 定义一个名为 'Default'的材质
newmtl Default

# 材质的环境光
Ka 0 0 0
# 散射光
Kd 0.784314 0.784314 0.784314
# 镜面光
Ks 0 0 0

# 透明度
d 1

# 为漫反射指定颜色纹理文件
map_Kd test_vt.png

triangle.mtl 增加了详细的注释；

triangle.mtl 中规定了模型材质相关的信息，包括纹理贴图、环境光、镜面光、散射光等相关配置都来自这个文件；

1.1.3 triangle.obj与triangle.mtl加载到OpenGL后的运行效果

这里写图片描述

加载triangle.obj与triangle.mtl 模型后的运行效果图如上图所示；
这里为了方便理解，所以仅仅加载的是一个最简单的普通三角形；

这里写图片描述

加载的triangle.obj与triangle.mtl 三角形，在三维空间中的位置如上图所示。
三维空间中顶点的位置信息来源于triangle.obj文件中。

关于关照与材质相关，详细信息，可参考我的另一篇文章：
http://blog.csdn.net/xiaxl/article/details/76826812

二、动画引擎实现

在这里插入图片描述

说动画实现之前，先要说一下动画引擎架构的设计。
动画引擎实现，参考了Cocos2d游戏引擎的设计思想，整个动画引擎分为了三层：

2.1、动画引擎架构实现

前边说了，这个设计实际参考了Cocos2d游戏引擎的设计思想，所以实现上与Cocos2d有很多的相似之处：

在这里插入图片描述

场景：场景负责绘制其所包含的全部层；
层：层负责管理、绘制其中的精灵；
层亦可以携带精灵做出一些旋转、平移、缩放等简单的动画效果；
精灵：精灵是游戏实体，精灵是活泼的，可以做很多的动画效果；
精灵应该是活泼的、好动的！！！
而动画引擎中的 SpriteAnima ，则是我赋予精灵的动画实现，也是精灵活泼起来的根本。

2.2、具体的代码实现

在具体分层代码实现上：

在这里插入图片描述

场景：场景继承自GLSurfaceView 管理者众多的层，负责页面绘制；
层：层管理者众多的精灵，并且继承自SpriteAnima；
层亦被赋予了动画属性，可以携带众多的精灵完成动画，而不影像精灵的动画；
同时也赋予了层活泼好动的天性；
精灵：当然亦继承自SpriteAnima，天然活泼好动。